倒臺階法在近接隧道爆破控制中的應用研究

王連華

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

隨著我國交通行業迅猛發展，受地形和選線的限制，出現了越來越多的復雜環境隧道工程，如近距離下穿城市建筑群、“零”距離下穿城市地鐵、鄰近運營既有線隧道等。復雜環境下的隧道爆破施工，必然對周邊既有結構物帶來振動影響，甚至造成既有結構物的破壞。

國內許多學者已對復雜環境下的爆破控制展開了研究。趙寶珠[1]對大斷面隧道近距離下穿建筑地表沉降控制與爆破控制技術展開了研究。袁旭東[2]研究了花崗巖地層中隧道洞口與地鐵車站主體結構零距離爆破進洞施工方法。江龍[3]以青島地鐵2號線隧道側穿加油站為依托工程，通過采用大直徑雙中空孔減振方法，將振動速度控制在0.5 cm/s內。劉鶴冰等[4]以新雙碑隧道為工程依托，對隧道近距離下穿渣滓洞爆破控制技術進行了研究，降低了隧道爆破對渣滓洞的振動影響。周凱[5]以桑植隧道為工程依托，探討了隧道爆破振動在雙洞隧道空間狀態下的影響規律，并提出了針對性的振動控制措施。黃雄軍[6]提出了大斷層注漿段隧道爆破方案和爆破控制參數，確定了炮孔布置及起爆方法。賈明倫[7]對單線淺埋隧道爆破參數進行了優化。張彪[8]對孤石深孔爆破對鄰近豎井結構的振動影響進行研究，提出了減振孔和隔離孔等減震措施。傅洪賢等[9]通過對隧道爆破振動進行現場測試，揭示了隧道爆破時圍巖振動規律[10]。單仁亮等[11]以隧道下穿鐵路為工程實例，研究了雷管段位和炮孔類型對爆破峰值振動速度的影響。龔敏等[12]以蓮塘小凈距隧道為工程依托，獲取了雙臨空面的單孔波形，解決了第二臨空面形成后的波形計算問題。

目前，國內外學者尚未對喀斯特地質條件下隧道鄰近既有線隧道爆破施工展開研究。本文以渝懷鐵路涪陵至梅江段增建第二線新張壩隧道為工程依托，針對喀斯特地質條件下Ⅲ級及以上圍巖爆破施工控制技術展開研究，提出了“倒臺階”隧道爆破施工工法。

2 倒臺階法現場應用研究

2.1 依托工程

渝懷二線新張壩隧道為喀斯特地質條件下新建鐵路復線隧道鄰近既有線隧道爆破施工工程。隧道屬低山地貌，線路由北向南沿秀山河右岸斜坡行進，地形起伏較大，地勢陡峭。

新張壩隧道位于重慶市秀山縣境內，全長1 520 m，其中Ⅲ級圍巖1 285 m、Ⅳ級圍巖195 m(含進口明洞10 m)、Ⅴ級圍巖30 m。隧道設計為單線隧道，隧道凈高6.69 m、凈寬5.62 m(含襯砌厚度)。新張壩隧道線路右側為既有張壩隧道，出口段與既有張壩隧道線間距約31 m，進口段與既有線隧道最小線間距16.94 m，兩隧道最小凈距11.32 m，且既有隧道部分段落存在病害，必須采取控制爆破開挖，避免既有病害加重，從而影響既有線隧道本身的穩定性和安全性，對既有線運營造成安全隱患，見圖1。

圖1 新舊隧道位置關系

考慮既有隧道的運營安全，根據《成都鐵路局關于研究渝懷二線隧道控爆鄰近既有線施工相關事宜的會議紀要》要求，線間距在20～50 m之間隧道洞內采用控爆開挖，爆破對既有結構物的質點振速不大于2.5 cm/s。

2.2 現場爆破最大裝藥量計算

根據爆破安全規程[10](GB 6722—2014)，延時爆破最大一段藥量計算公式為:

式中:Qmax為炸藥量，齊發爆破時的總藥量，延時爆破時的最大一段藥量(kg)；V為保護對象所在地的質點振動安全允許速度(cm/s)，取2.5 cm/s；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，分別取150和1.6。

隧道爆破均使用2號巖石乳化炸藥，掏槽孔和掘進孔采用φ32藥卷，連續裝藥，采用塑料導爆管毫秒雷管孔內延時起爆網路。周邊孔間隔裝藥，采用導爆索起爆，以減小起爆時差。按照對既有隧道最不利振速2.5 cm/s進行不同線間距情況下的爆破控制藥量計算，得到控制爆破單段最大藥量見表1。

表1 單段最大藥量

Ⅲ級圍巖線間距小于35 m后，隧道采用全斷面法爆破無法滿足振動控制要求，需采用臺階法施工，減少一次爆破裝藥量，降低新建隧道爆破開挖對鄰近隧道爆破振動的影響。

3 倒臺階法在隧道中的應用

倒臺階法是臺階法的一種特殊施工方法，其爆破順序與常規臺階爆破順序相反。倒臺階法適用于Ⅲ級及以上的圍巖，其主要原理是充分利用圍巖穩定性，先爆破下臺階，上臺階爆破時充分利用下臺階爆破的臨空面，提高爆破效率，減少裝藥量以降低隧道爆破對鄰近建筑物的振動。

3.1 倒臺階法爆破參數

根據線間距不同，倒臺階循環進尺分別采用1.2 m和2.4 m。根據炮眼布置和爆破原則，炮眼布置見圖2，限于篇幅，僅列出開挖進尺為2.4 m的爆破參數，如表2所示。

圖2 倒臺階炮眼布置(單位:cm)

表2 Ⅲ級圍巖進尺2.4 m倒臺階爆破設計參數

當開挖循環進尺2.4 m時，下臺階斷面面積為20.8 m2，一次爆破量49.9 m3，一次總裝藥量50.9 kg，炸藥單耗1.0 kg/m3；上臺階開挖斷面面積23.41 m2，一次爆破量56.2 m3，一次總裝藥量30.9 kg，炸藥單耗0.55 kg/m3。當開挖進尺1.2 m時，下臺階一次總裝藥量25.5 kg，炸藥單耗1.0 kg/m3，單段最大起爆藥量為3.7 kg；上臺階一次總裝藥量16.5 kg，炸藥單耗0.59 kg/m3，單段最大起爆藥量為3.08 kg。

根據表1可知，最大控制爆破用藥量為12.51 kg。在線間距大于30 m時，可采用進尺2.4 m的倒臺階法開挖，其驗算振速為2.08 cm/s；線間距在20～30 m范圍內時，可采用進尺1.2 m的臺階法開挖，其驗算振速為2.5 cm/s，滿足振動控制要求。

3.2 倒臺階法施工工藝

倒臺階法開挖隧道時，利用全斷面開挖臺架一次性完成掌子面炮眼鉆孔。如圖3所示，先爆破下臺階，再微臺階倒序爆破上臺階。裝藥時，將起爆體和炸藥按設計要求放置在孔口附近；將炸藥輕送至炮孔底部，每裝入一定量的藥包后，應測量裝藥長度；裝入起爆藥包后，嚴禁強力搗壓藥包，尤其是起爆藥包，防止引起早爆事故。裝藥時嚴格按操作規程緩慢逐步進行，并由專人進行檢查，同時做好現場記錄。

圖3 倒臺階法現場施工

下臺階出渣完成，上臺階可馬上裝藥、爆破、出渣，提高施工效率，縮短施工循環時間。

4 現場爆破效果

下臺階掌子面爆破作業之后，除去部分因爆破產生的碎渣，可以使上臺階掌子面土體靠近作業面的前端更多地處于懸空狀態，從而使得上臺階掌子面的爆破作業達到更好的效果，隧道爆破效果如圖4所示。

圖4 隧道爆破效果

采用TC-4850型爆破振動監測儀對爆破施工現場振動波速峰值進行監測。在既有隧道內根據新建隧道爆破作業面對應里程設置流動監測點，其他監測點根據設計及相關規范要求設置。由于既有隧道與新建隧道鄰近的迎爆側邊墻振動強度通常大于背爆側，振動監測點應布置在既有隧道迎爆側邊墻下部，如圖5所示。

圖5 測點布置及振動監測

現場爆破振速監測結果表明，爆破振速實際監測值較設計稍小，但有0.5 cm/s的波動值，其最大值均在理論計算范圍以內，在圍巖較破碎時，其爆破振速降低明顯。新張壩隧道控制爆破施工對既有隧道病害無影響?，F場爆破效果進一步驗證了倒臺階法在鄰近隧道爆破中的應用，未對既有隧道造成破壞。

5 結論

(1)倒臺階開法工法，充分利用圍巖的穩定性，先下臺階爆破，再上臺階起爆。上臺階爆破時充分利用下臺階爆破的臨空面，減少裝藥量，較好地控制施工過程中爆破振動速度，減少隧道施工對既有線運營的影響。

(2)鄰近既有線單線隧道倒臺階施工技術切實可靠、施工便捷、耗時短、機械效率高，且對既有結構物影響小，施工安全可靠，為工期提供了良好的保障。

(3)倒臺階控制爆破技術與傳統全斷面爆破、正臺階施工方法相比，節省了炸藥消耗，加快了鉆眼和裝渣出渣進度，每循環節約作業時間3.5 h，大幅降低施工成本。

(4)通過爆破振速監測驗證，爆破設計振速實際監測值最大不超過1.8 cm/s，在圍巖較破碎處爆破振速降低明顯。倒臺階法控制爆破施工對既有隧道病害無影響。